CN1642156A - 大动态信号大频偏条件下载波捕获装置及捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明是大动态信号大频偏条件下载波捕获装置及捕获方法。装置包括两个匹配滤波器、两个压控/数控振荡器、两个平方器和比较器以及信号接收器。方法包括设定初始频率、调整步长、调整次数、数据窗长；选取与判决统计量比较的固定门限值；将超前和滞后两个频点值置入超前和滞后支路的压控/数控振荡器，用这两个本地振荡器分别对接收载波信号进行下变频，将得到的两路信号通过波形匹配滤波器，利用频率超前路和滞后支路产生的检测统计量的差值作为判决统计量，与设定固定门限比较，根据判决结果调整本地载波频率，并进行下一次牵引；若经指定次数频率牵引后本地载波与接收信号载波频偏减小到锁相环快捕带范围内，则进入锁相环相位锁定过程结束频率牵引。

Description

大动态信号大频偏条件下载波捕获装置及捕获方法

技术领域

本发明涉及一种大动态信号大频偏条件下载波捕获装置及捕获方法，它可以实现在大动态信号条件及大载波频偏条件下的载波捕获。属于载波通讯

技术领域。

背景技术

在无线通信系统中，由于接收端和发送端的相对位移会产生多普勒频移，或者由于接收和发送两端的时钟速率不同，因而接收载波信号和本地载波的频率之间会有一定的偏差，有时候频偏可能达到符号速率的几倍甚至十几倍。在相干通信系统中，为了正确接收解调信号，需要首先使本地载波和接收载波信号正确捕获。

在现有技术中，载波捕获的方法主要包括开环估值算法、自动频率控制(AFC：Automatic Frequency Control)算法、频率扫描法等。

1989年12月的《IEEE Transaction on acoustics speech and signalprocessing》上由Steven Kay所著的《一种快速精确的频率估计器(A Fastand Accurate Single Frequency Estimator)》公开的开环估值算法主要是在锁相环进入相位锁定之前，利用接收的数据信息进行载波频偏估计，文中对开环估值算法进行了理论分析和仿真，这种算法频偏估计的速度较快，但是它的频偏估计范围较小。1984年8月的《IEEE Transaction on commun--ication》上由Francis D.Natali所著的《自动频率控制跟踪算法(AFCTracking Algorithms)》刊登了一种采用AFC自动频率调整算法的装置，与锁相环原理相似，此装置只能跟踪接收信号的频率，文中对这种算法进行了分析比较，这种算法具有频偏捕获范围较宽、捕获速度较快的特点，但频偏矫正精度较低，一般被用于相位精度要求不高的解调系统中。2001年四川大学学报刊登的王素玉、王勇德的文章《在多速率BPSK和DBPSK软件解调中多普勒频偏矫正的一种方法》对这种算法进行了分析，这种算法理论上搜索范围可以无限大，比较适合于速率较低，频偏较大的场合，但是由于频率扫描的扫描方向不确定，并且扫描的步长受到后级锁相环的限制，因而其搜索速度很慢，完成大频偏的矫正需要花费很长的时间。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种大动态信号大频偏条件下载波捕获装置及捕获方法。

为完成上述发明目的，本发明所述的大动态信号大频偏条件下载波捕获装置，包括产生超前和滞后捕获检测量的两个匹配滤波器、产生超前和滞后频率载波的两个压控/数控振荡器、两个平方器，和比较器以及信号接收器，信号接收器接收载波信号，匹配滤波器一端连接信号接收器，另一端连接平方器，比较器的输出端分别连接两个压控/数控振荡器，压控/数控振荡器的另一端又连接信号接收器。

所述捕获装置还包括一个统计牵引次数的计数器，它连接着比较器。

大动态信号大频偏条件下载波捕获方法，包括如下步骤：

a.设定本地载波的初始频率，并根据锁相环捕获性能要求确定频率牵引过程中使用的调整步长，根据信噪比要求确定频率调整次数，确定调整时数据的窗长；

b.根据判决统计量的特性，选取与判决统计量比较的固定门限值；

c.启动牵引过程，将超前和滞后的两个频点值分别置入超前和滞后支路的压控/数控振荡器，用这两个本地振荡器分别对接收载波信号进行下变频，将得到的两路信号通过波形匹配滤波器，利用频率超前路和滞后支路产生的检测统计量的差值作为判决统计量，与设定的固定门限比较，根据判决的结果调整本地载波频率，然后进行下一次牵引；

d.如果经指定次数频率牵引后本地载波与接收信号载波频偏减小到锁相环的快捕带范围之内，则进入锁相环相位锁定过程，结束频率牵引。

所述步骤b中的频率牵引在牵引过程中实际采用多样本均值作为判决统计量；所述判决统计量为超前支路和滞后支路匹配滤波器分别输出的平方和的差值。

所述步骤c中的频率牵引采用变步长策略，在频率牵引过程中使用两个不同的步进值，具体包括：

牵引过程开始后，如果频偏值较大，根据判决统计量与固定门限比较结果，按大的步长调整本地频率，经过一定的牵引次数之后，将频偏牵引到较小的范围之内；

后一阶段，将牵引步长设定为小的步进值，重复前一阶段的牵引过程，经过一定次数的频率牵引后，载波捕获完成，结束整个牵引过程。本发明的优点和有益效果是：采用变步长的策略，可以获得比频率扫描法更为理想的平均捕获时间和更高的频率精度。由于采用频域超前滞后环和变步长，可以用较短的捕获时间和较简单的电路实现载波频偏的可靠估计，尤其是在载波频偏远大于信息速率的场合，其效果更为明显。在QPSK乃至更多进制的调相调制方式中，本方案所适应的频偏范围要大于传统的AFC以及频率估值算法。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明的载波捕获方法流程图

图3是无噪声情况下超前滞后支路输出的检测统计量的幅度关系图；

图4是本发明最佳实施例所用的数字接收机的结构图；

图5是本发明的最佳实施例所用的载波捕获电路结构图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明再作进一步详细的说明。

参阅图1本发明的结构示意图，一种大动态信号大频偏条件下载波捕获装置，包括产生超前和滞后捕获检测量的匹配滤波器1、2，产生超前和滞后频率载波的两个压控振荡器(VCO或NCO)3、4，两个平方器5、6和比较器7以及信号接收器8、9，信号接收器接收载波信号，匹配滤波器1或2的一端连接信号接收器8、9，另一端连接平方器5或6，两个平方器5、6分别连接比较器7的高低输入端，比较器7的输出端分别连接两个压控振荡器3、4，压控振荡器3、4的另一端又连接信号接收器8、9。该装置还包括一个统计牵引次数的计数器10，它连接着比较器7。

请参阅图2本发明中的载波捕获流程图，首先根据锁相环的捕获性能要求确定频率牵引过程中使用的调整步长，根据信噪比要求确定频率调整次数，并确定调整时数据的窗长。而且根据判决统计量的特性，选取与判决统计量比较的固定门限值。在牵引过程中实际采用多样本均值作为判决统计量。

请参阅图3无噪声情况下各路匹配滤波器输出值的幅度关系图，本发明采用类似于时域伪随机序列(PN：Pseudo Sequence)码跟踪环的频域超前和滞后调整完成载波频偏矫正，超前是指频率较小的一臂，滞后是指频率最大的一臂。利用频率超前和滞后分量形成的检测统计量的差值作为判决统计量，判决频偏是否减小到较小的范围，如锁相环快捕带之内。在实现符号同步后，超前、滞后支路分别使用各自的压控振荡器(VCO或NCO)3、4产生本地载波与输入信号进行数字下变频运算。三者频率之间的关系用下式表示：

f_e＝f_P-f_s/m，f_l＝f_P+f_s/m

其中，f_e，f_l分别表示超前、滞后支路压控振荡器(VCO或NCO)3、4输出本地载波频率，f_p表示当前本地载波频率，f_s为信道符号速率，m为一常数。

利用频率超前和滞后支路匹配滤波器1、2输出再经过平方器5、6后形成的检测统计量的差值作为判决统计量，根据判决统计量与固定门限比较结果，调整压控振荡器(VCO或NCO)3、4改变本地载波频率，进行下一次比较判决，直到完成设定次数的频率牵引。

在启动频率牵引过程后，利用频率超前路和滞后路产生的检测统计量的差值作为判决统计量，与设定的固定门限比较，根据判决的结果调整本地载波频率，然后进行下一次牵引。

在经过指定的牵引次数次频率牵引后，使本地载波与接收信号载波频偏减小到锁相环的快捕带范围之内，结束频率牵引，进入锁相环相位锁定过程。

在频率牵引过程中，采用变步长的策略，即在频率牵引过程中使用两个不同的步进值，牵引开始时，如果频偏值较大，采用较大牵引步长，经过一定的牵引次数之后，将频偏牵引到较小的范围之内。在牵引后期，采用较小的牵引步长，经过一定的牵引次数之后，将残余频偏进一步减小至锁相环的快捕带之内。

由于噪声影响，使得单样本判决并不可靠，在牵引过程中实际采用多样本均值作为判决统计量。

在加性高斯白噪声信道下，存在大范围频偏，当本地载波接收信号载波存在频偏时，信号将有一部分或全部功率落在接收机的通带以外，因而可以采用匹配滤波器1、2将一定时间内信号能量收集，作为检测统计量。再利用频域的超前和滞后支路产生的检测统计量的差值构造判决统计量，通过判决统计量与固定门限比较。当本地载波与接收信号载波频偏很较小时，判决统计量应该低于固定门限值，但存在一定频偏时，判决统计量会高于固定门限值。这样可以根据比较结果的大小，相应调整步长，改变本地载波的频率，直到判决统计量的值小于某一固定门限值，可以认为本地载波与接收信号载波的频偏减小到较小范围如锁相环的快捕带之内。

具体步骤为：先设定本地载波的频率，超前和滞后支路的载波频率与本地载波相差一固定频率值。频率牵引开始后，将超前和滞后的两个频点值分别置入超前和滞后支路的压控/数控振荡器3、4，然后用这两个本地振荡器分别对接收载波信号进行下变频，将得到的两路信号通过波形匹配滤波器1、2，假设此前符号同步已经完成，再将匹配滤波器1、2输出的I、Q两路的信号平方和作为这两个频点下的检测统计量。超前和滞后支路产生的检测统计量的差值作为判决统计量，送入比较器7与设定的固定门限值比较，最后根据比较结果，按照设定的步长调整本地载波频率，同时，牵引次数的计数器10增一，再进行下一次牵引过程，直到完成设定牵引次数的牵引过程后，频率牵引结束。

最佳实施例：本发明的实施例所涉及的接收机输入信号是直接序列扩展频谱信号。扩频序列是周期为1023的戈尔德码(GOLD)序列通过补零得到的，周期为1024。信息速率为2.4kbps，扩频比为1024。信道为加性高斯白噪声信道，E_b/N₀的范围为7.8dB到60dB，信号载波频偏小于600Hz。通信为突发方式，要求在较短的时间内实现载波捕获。

图4是直接序列扩展频谱(DSSS)全数字接收机中基带信号处理单元的系统结构图。基带信号处理单元的输入信号是经过中频处理后下变频得到的基带模拟信号。中频单元输出的基带信号在送入变换器A/D11之前由自动增益控制模块(AGC)12分别控制其幅度，这样做的原因是由于信号动态范围很大，为了保证A/D11变换的正常工作，在其之前加入AGC12使得进入A/D变换器11的信号加噪声的电平保持在恒定的范围内，即A/D变换器11的线性工作区之内。由于中频下变频后的模拟信号仍然带有很大的频差，所以需要经过正交数字下变频纠正频偏，纠正后残余的频偏在600Hz之内。数字匹配滤波器1、2的作用是使得数字相关器组13、14所抽样的点上的信噪比最大。最终得到的I路与Q路基带数字信号被送入的伪随机码同步电路之中，完成伪随机码的同步过程。

载波捕获在伪随机码同步之后，这是由于在直扩通信系统中，解扩之前，信噪比很低，信号隐藏在噪声之中，只有在解扩之后，信噪比提高，才有可能实现载波捕获。在码捕获之后，本地伪随机码与接收信号中的伪随机码相位相差1/4码片，经过码跟踪环后，码相位相差进一步减小到1/16码片，因此可以认为载波捕获之前已经实现了码同步。在本发明的实施例中，载波捕获采用频率牵引完成。频率牵引主要通过频域超前滞后环实现。本例中信息速率f_s为2400Hz，超前路和滞后路的频率与当前路的频率相差均为1/4f_s，即为600Hz，频率牵引的次数设定为30次，每一次牵引后判决所采用的数据窗长为16个符号，综合考虑牵引时间和牵引后频率的精度，在牵引过程中采用了两个步进值，一个为58.6Hz，另一个17.6Hz。频率牵引时调整步进的固定门限设定为零频差时输出检测统计量的1/16。由于难以得到零频差时检测统计量的精确值，所以实际采用准频臂得到的检测统计量来代替。

图5是本发明的实施例所用的载波捕获电路结构图。本例中频率超前路和频率滞后路检测统计量由数字匹配滤波器1、2的输出再经过数字相关器13、14后形成，数字相关器13、14输出的检测统计量分别对应I、Q两臂的相关值经过平方器5和6的求和，判决统计量为两路检测统计量经过比较器7产生的差值。由于噪声影响使得单样本判决并不可靠，取多样本判决统计量的算术平均值作为实际的判决统计量。

在频率牵引过程的前一阶段，考虑到完成伪随机码同步之后载波频偏较大，因而采用较大的牵引步长58.6Hz。估计当前路本地载波频率值，超前路的载波频率比当前路载波频率小600Hz，滞后路的载波频率比当前路载波频率大600Hz，将超前和滞后两路的频率分别置入各自的NCO15、16，根据NCO15、16产生载波信号与输入信号进行数字下变频运算，将超前滞后两路码同步检测统计量的差值作为判决统计量与固定门限比较，决定是否对各个NCO进行频率步进调整以及向哪个方向调整。若判决统计量大于固定门限，则将当前频率减小一个步进值，若判决统计量小于门限，则将当前频率增加一个步进值。经过16个符号周期之后，再进行下一次频率牵引。采用大的牵引步长，进行15次频率调整后，前一阶段牵引过程结束。

在频率牵引过程的后一阶段，考虑经过前一阶段的频率牵引之后，载波频偏已减小到较小范围，因而采用较小的牵引步长17.6Hz。这一阶段的牵引过程与前一阶段相同。经过15次频率牵引之后，可以认为载波频偏已被减小到锁相环的快捕带之内，结束整个频率牵引过程。

本实施例所使用的硬件电路资源为：两组数控振荡器(NCO)，两组数字匹配滤波器，两组数字相关器组，平方器，判决统计量的比较器，以及相应的载波捕获控制电路。

本实施例载波捕获前接收信号与本地载波初始频偏在600Hz以内，经过采用本发明的载波捕获策略之后，经过30次频率牵引，载波频偏缩小到较小范围，在锁相环的快捕带(60Hz)以内，可以进行下一级的相位跟踪。

最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，对于不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.大动态信号大频偏条件下载波捕获装置，其特征在于：包括产生超前和滞后捕获检测量的两个匹配滤波器、产生超前和滞后频率载波的两个压控/数控振荡器、两个平方器和比较器以及信号接收器，信号接收器接收载波信号，匹配滤波器一端连接信号接收器，另一端连接平方器，比较器的输出端分别连接两个压控/数控振荡器，压控/数控振荡器的另一端又连接信号接收器。

2.根据权利要求1所述的大动态信号大频偏条件下载波捕获装置，其特征在于：所述捕获装置还包括一个统计牵引次数的计数器，它连接着比较器。

3.大动态信号大频偏条件下载波捕获方法，其特征在于：包括如下步骤：

a.设定本地载波的初始频率，并根据锁相环捕获性能要求确定频率牵引过程中使用的调整步长，根据信噪比要求确定频率调整次数，确定调整时数据的窗长；

b.根据判决统计量的特性，选取与判决统计量比较的固定门限值；

c.启动牵引过程，将超前和滞后的两个频点值分别置入超前和滞后支路的压控/数控振荡器，用这两个本地振荡器分别对接收载波信号进行下变频，将得到的两路信号通过波形匹配滤波器，利用频率超前路和滞后支路产生的检测统计量的差值作为判决统计量，与设定的固定门限比较，根据判决的结果调整本地载波频率，然后进行下一次牵引；

d.如果经指定次数频率牵引后本地载波与接收信号载波频偏减小到锁相环的快捕带范围之内，则进入锁相环相位锁定过程，结束频率牵引。

4.根据权利要求3所述的大动态信号大频偏条件下载波捕获方法，其特征在于：所述步骤b中的频率牵引在牵引过程中实际采用多样本均值作为判决统计量。

5.根据权利要求4所述的大动态信号大频偏条件下载波捕获方法，其特征在于：所述的判决统计量为超前支路和滞后支路匹配滤波器分别输出的平方和的差值。

6.根据权利要求3所述的大动态信号大频偏条件下载波捕获方法，其特征在于：所述步骤c中的频率牵引采用变步长策略，在频率牵引过程中使用两个不同的步进值，具体包括：

牵引过程开始后，如果频偏值较大，根据判决统计量与固定门限比较结果，按大的步长调整本地频率，经过一定的牵引次数之后，将频偏牵引到较小的范围之内；

后一阶段，将牵引步长设定为小的步进值，重复前一阶段的牵引过程，经过一定次数的频率牵引后，载波捕获完成，结束整个牵引过程。

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